卡拉貝利水利樞紐工程壩體混凝土面板抗裂設計及面板受力分析

李勁飛

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

卡拉貝利水電站位于新疆喀什市165km，距離烏恰縣55km。水庫任務為發電、灌溉、防洪。大壩正常蓄水位為1770.00m，總庫容為2.62億m3，裝機為70.00MW，工程等別和規模為Ⅱ等大(2)型工程。主河床擋水建筑物是面板砂礫石壩，1#、2#泄洪排沙放空洞布置在大壩左岸。發電廠房、引水發電洞位于壩軸線下游的左岸河床階地上，溢洪道位于大壩右岸。面板砂礫石壩壩頂高程1775.5m、防浪墻頂部高程為1776.7m。壩長760.7m，壩高為92.5m，壩頂寬12m。壩體上游壩坡為1∶1.7，下游壩坡1∶1.8，壩體由上游至下游分區是砂礫石蓋重區、土料鋪蓋區、混凝土面板、墊層料區、上游壩殼料砂礫石區、排水料區、下游壩殼料砂礫石區、利用料區及壩腳排水棱體。砂礫石蓋重區位于上游鋪蓋區上游，頂高程1713m，頂寬10m，上游坡度1∶3，作用是穩定上游鋪蓋區邊坡，可全部利用壩體及其它建筑物開挖砂礫料。利用運輸和推平設備自然壓實，土料鋪蓋區位于面板上游，頂高程1713m，頂寬5m，上游坡度1∶2。采用T1土料場粉土填筑，利用運輸和推平設備自然壓實。目前該工程已經基本完工。

2 大壩混凝土面板設計

2.1 混凝土面板結構

對于混凝土面板壩來說，保證面板在各個工況下不受破壞對水庫的安全運行來說至關重要，因此，限制混凝土面板的裂縫是設計者的重要工作。本工程位于新疆喀什市西北，最大的設計難點是該區位于高地震烈度區域，大壩最大設計烈度為Ⅸ度，晝夜溫差大，風沙猛烈，河水中硫酸根離子超標等。本工程混凝土面板砂礫石壩最大壩高92.5m，上游壩坡1∶1.7。考慮上述設計難點，本次面板混凝土標號采用C30W10F300，中抗硫酸鹽水泥，摻螺旋形聚乙烯醇纖維。面板共74塊，寬度主要分12m與6m兩種，其中12m寬度面板49塊，6m寬度面板23塊，10.50m、14.83m各1塊。混凝土面板厚度采用0.0035H急性遞增，面板頂部厚度為0.4m、最長塊面板底部厚度為0.71m。為了進一步提高面板抗裂能力，對面板施工提出更高要求的指標，面板平面圖如圖1所示。

圖1 面板平面布置圖

2.2 混凝土面板抗裂

大壩防滲體的混凝土面板與傳統混凝土特性一樣，受溫度變化、自身干縮及壩體不均勻沉降等不良因素產生裂縫。然而，混凝土面板的邊界條件對面板裂縫的影響更大。如面板坡面的平整度直接影響到面板的厚度均一度，導致面板在同等高度剛度不一致，這對面板來說在蓄水期時也是致命的。因此設計過程中充分考慮各種不利因素對混凝土面板的影響，采取了多種面板防裂措施。

2.2.1面板建基面要求

墊層坡面固坡采用擠壓邊墻，在面板混凝土澆筑前對擠壓邊墻坡面檢查，要求擠壓邊墻法線方向偏差不大于5cm；上游坡面平整度2m范圍內誤差不大于2.5cm，且平滑過渡，無突變，出現凹坑時可采用M20水泥砂漿補平[1- 3]。面板鋼筋安設過程采用架立鋼筋固定，在混凝土澆筑時隨著滑模提升及時割除，消除架立鋼筋約束。

2.2.2設置隔離層

為盡量減少和降低混凝土面板砂礫石壩擠壓邊墻和混凝土面板之間的約束作用，讓填筑體和混凝土面板能各自自由變形，利于承載后面板應力的重新調整，在大壩上游擠壓邊墻坡面設置乳化瀝青隔離層。根據近年來面板壩建設的技術進展和建設經驗，并經噴涂一層凈乳化瀝青、“兩油一砂”、“兩油兩砂”三種乳化瀝青隔離層結構工藝的現場對比試驗，結合大壩工期的安排，最終確定采用“兩油一砂”的結構，施工后形成的乳化瀝青膠砂混合料隔離層平均厚度為2.5mm。

2.2.3優選混凝土配合比

根據現場施工環境條件為寒冷地區、晝夜溫差大、風沙大的特點。面板混凝土設計指標中采用按低坍落度混凝土，且具有良好的和易性，保證混凝土在溜槽中滿足不離析、易下滑、易振實、入倉后不泌水、滑模易于操作等要求。優選摻合料與外加劑，減少水泥用量降低水化熱溫避免混凝土干縮變形。通過摻螺旋形聚乙烯醇纖維，確保面板混凝土具有較高的抗拉強度和極限拉伸值，降低裂縫產生的可能性。

2.2.4壩體預留沉降期

壩體沉降是導致面板產生脫空變形和結構性裂縫的主要原因，為避免面板脫空和結構性裂縫的發生，規范規定的面板混凝土施工前壩體沉降期宜為3～6個月，卡拉貝利大壩2016年7月23日封頂，2017年3月1日開始混凝土面板澆筑，大壩沉降期超過7個月，沉降期面板頂部處壩體沉降速率小于5mm/月[4- 6]。

2.2.5發現裂縫及時處理

混凝土面板施工后要及時檢查，發現裂縫應及時進行灌漿處理，橫貫裂縫寬度大于0.15m或 0.1mm≤δ<0.15mm、長度≥1.0m的裂縫都必須進行處理[7- 13]。裂縫寬度大于0.15mm時，采用聚氨酯材料灌漿，表面涂刷環氧底膠。裂縫寬度大于0.1mm且≤0.15mm、長度≥1.0m時，采用涂刷環氧底膠進行涂層封閉處理。

2.2.6設置防凍層

提高水工混凝土耐久性，特別是重點工程重點部位的混凝土耐久性，除根據環境特點對混凝土本身質量、施工工藝進行提高外，采用有效的表面防護技術也是必不可少的手段。根據國內外使用情況用于混凝土表面防護技術的材料大體上可分為剛性與柔性表面防護材料兩大類：剛性材料適用于年溫差、日溫差較小，本身結構受外界環境影響變形較小的混凝土結構；柔性表面防護材料則是國內外研究的重點，其更適用于變形較大的混凝土結構，特別是憎水性的高分子彈性表面防護材料，對提高混凝土的抗凍融，抗冰拔作用，適應“活動”裂縫的變形，提高混凝土的整體防滲性等效果明顯。工程區為寒冷地區、晝夜溫差大、風沙大，為加強面板運行期防裂性能，面板表面在水位變動區1740m以上涂刷彈性聚氨酯防凍層，厚1.2mm[14- 16]，要求在面板混凝土裂縫處理完成后實施。

3 大壩三維有限元靜、動力計算成果分析

壩體填筑蓄水過程模擬，面板分兩期澆筑，一期面板澆筑至1738m高程，二期面板澆筑至壩頂1773m高程，一期面板澆筑完成后開始蓄水。有限元計算時壩體填筑共為34級，蓄水為10級。具體工期見表1。

表1 大壩填筑工期順序

大壩三維有限元網格如圖2所示，面板精細化模型如圖3所示。卡拉貝利河谷寬度較大，大壩混凝土面板使用六面體單元。面板與壩體剛度差異較大在其交界面處設置Goodman接觸單元，面板周邊縫于垂直縫也采用接縫單元。

圖3 面板網格圖

圖2 大壩三維網格圖

本工程壩體計算均外委，三維非線性有限元靜力分析采用鄧肯E- B模型對壩體、壩基進行三維有限元靜力計算分析，研究在竣工期、蓄水期時面板應力和變形、伸縮縫和垂直縫變位、壩體的應力和變形等工作性狀和安全性進行綜合評價。三維有限元動力分析采用等效線性粘彈性模型，大壩設計地震按50年超越概率2%，相應基巖地震水平向動峰值加速度為375.1gal；校核地震按照100年超越概率2%的基巖動峰值，相應水平向動峰值加速度為424.4gal。壩體地震永久變形計算模型采用改進的沈珠江殘余變形模型。具體的公式與參數不再列出，只列出大壩混凝土面板各個工況應力計算結果，見表2。

表2 大壩混凝土面板各個工況應力計算結果匯總

4 面板應力成果分析

4.1 靜力計算成果分析

計算成果表明竣工期面板軸向均受壓，最大壓應力均為1.4MPa，位于河床附近的底部面板。面板順坡向基本上也受壓，最大壓應力3.0MPa，沒有出現拉應力；滿蓄期時混凝土面板在自重與庫水壓共同作用下，最大壓應力1.56MPa，面板軸向最大壓應力位于河床中部1/3壩高附近，岸坡處面板底部出現小范圍拉應力區，最大拉應力0.27MPa。

4.2 動力計算成果分析

采用等效線性模型計算的面板順坡向靜動疊加最大應力分別為10.92MPa(壓)和7.70MPa(拉)。由于壩頂部變形較大，河床部位2/3壩高以上的面板產生較大的動壓和動拉應力，和靜力計算的應力疊加后，壩高1/2～2/3的局部范圍出現了最大值拉應力和壓應力；另外，面板底部震前處于受拉狀態，靜動疊加后拉應力較大，靠近河床部位的面板底部局部也達到了最大值。面板壩軸向靜動疊加最大應力分別為7.93MPa(壓)和2.91MPa(拉)，壓應力和拉應力最大值均發生在壩頂附近。

4.3 大壩永久變形

地震后，由于砂礫石體的沉陷，對面板產生豎向摩阻力，面板順坡向壓應力增加較為明顯，其中殘余變形模型計算的順坡向壓應力最大值為15.4MPa，位于河床部位靠近右岸位置的1/3壩高處附近；軸向壓應力最大值局部達到5.25MPa，位于河床中間壩頂部位，拉應力最大值為1.19MPa，位于兩岸局部范圍內；同時拉應力比滿蓄期有所減小，僅在頂部壩肩處產生小范圍拉應力。

5 結語

卡拉貝利水利樞紐混凝土面板砂礫石壩處于干燥、嚴寒、多風的高地震烈度區，這對混凝土面板抗裂措施提出了很大挑戰，本文在面板設計和施工中采用了較全面的抗裂措施，提出了面板基礎面設置隔離層、優選混凝土配合比、預留足夠的沉降期、面板裂縫處理措施等設計指標。混凝土面板在長期荷載作用時，竣工期、滿蓄期面板的應力均能滿足混凝土設計抗拉允許值。短期荷載作用時，動力計算成果表明混凝土面板局部拉應力遠遠超過混凝土面板的設計抗拉允許值，針對此類極其罕見的工況，面板局部出現裂縫可以通過后期進行灌漿修補保證大壩安全運行。